浸入邊界法通過在N-S方程中施加體積力模擬不可滑移固壁邊界及動邊界,避免生成復(fù)雜貼體網(wǎng)格及動網(wǎng)格,極大地節(jié)省了網(wǎng)格建模時間及動網(wǎng)格計算消耗。本文提出一種新型附加體積力簡化計算方法,將簡化附加體積力以源項(xiàng)形式嵌入動量方程迭代中,通過用戶自定義函數(shù)對CFD軟件FLUENT二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了浸入邊界法和通用流體力學(xué)求解器的耦合計算。通過靜止圓柱和動圓柱繞流數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證,并探討了插值函數(shù)對計算精度的影響。研究表明,通過引入浸入邊界模型,能夠提高計算效率,并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格背景下復(fù)雜邊界和動邊界的高效建模。 

【文章來源】：計算力學(xué)學(xué)報. 2019,36(04)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

圖１浸入邊界法Ｆｉｇ．１Ｌａｙｏｕｔｏｆｔｈｅｉｍｍｅｒｓｅｄｂｏｕｎｄａｒｙｍｅｔｈｏｄ

則插值：ｄ２（ｒ）＝１３（１＋－３ｒ２槡＋１）（ｒ≤０．５）１６（５－３ｒ－－３（１－ｒ）２槡＋１）（０．５＜ｒ＜１．５）０（ｒ≥１．５烅烄烆）（１５）四點(diǎn)正則插值：ｄ３（ｒ）＝１８（３－２ｒ＋１槡＋４ｒ－４ｒ２）（ｒ≤１）１８（５－２ｒ－槡－７＋１２ｒ－４ｒ２）（１＜ｒ＜２）０（ｒ≥２烅烄烆）（１６）在不同插值函數(shù)作用下，ＩＢ點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)的相互關(guān)系如圖２所示（一維為例）。以四點(diǎn)正則插值函數(shù)為例，對于任意ＩＢ點(diǎn)，與其對應(yīng)的ｒ≤１和１＜ｒ＜２的網(wǎng)格點(diǎn)一維共４個，二維共１６個，各ＩＢ點(diǎn)附加體積力由對應(yīng)網(wǎng)格流場信息插值得到。圖２不同插值函數(shù)作用下ＩＢ點(diǎn)與網(wǎng)格點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系Ｆｉｇ．２ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎＩＢｐｏｉｎｔｓａｎｄｇｒｉｄｐｏｉｎｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｉｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ１２５第４期許棟，等：不可壓粘性流體浸入邊界直接力法及軟件實(shí)現(xiàn)

）以源項(xiàng)形式嵌入動量方程的迭代中，并選用ＳＩＭＰＬＥ算法求解。（４）輸出參數(shù)（ＤＥＦＩＮＥ＿ＥＸＥＣＵＴＥ＿ＡＴ＿ＥＮＤ）。每次時間步迭代完成后，計算輸出圓柱繞流阻力系數(shù)Ｃｄ和升力系數(shù)Ｃｌ等力學(xué)參數(shù)。３計算模型與參數(shù)對層流狀態(tài)下靜止圓柱和運(yùn)動圓柱繞流問題分別進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證。對于靜止圓柱繞流模擬，根據(jù)Ｕｈｌｍａｎｎ［１５］建議，當(dāng)計算域?qū)挾龋住荩矗埃臅r，可以忽略邊壁影響。幾何長度以圓柱直徑Ｄ圖３ＩＢＭ模型在ＦＬＵＮＥＴ中的計算過程Ｆｉｇ．３ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｔｈｅＩＢＭｍｏｄｅｌｉｎＦＬＵＥＮＴ為基本量，無量綱化后計算域尺寸為Ｌ×Ｗ＝４０×４０。左側(cè)為速度入口邊界ｖｅｌｏｃｉｔｙ－ｉｎｌｅｔ，流速大�。眨埃剑薄Ｓ覀�(cè)為自由出流邊界ｏｕｔｆｌｏｗ；上下邊界均為對稱邊界ｓｙｍｍｅｔｒｙ，如圖４所示。采用正交網(wǎng)格，為減小計算量，在圓柱附近局部加密，如圖５所示。最小網(wǎng)格尺寸為ｄｘ＝１／２０，總網(wǎng)格數(shù)為７８４００。固體物面邊界上ＩＢ點(diǎn)個數(shù)設(shè)為１８０。流體密度ρ＝１，通過調(diào)整粘滯系數(shù)使雷諾數(shù)Ｒｅ分別為４０，１００，１５０和２００。時間無量綱化形式為Ｔ＝Ｕ０·ｔ／Ｄ，計算時間步長為Δｔ＝０．００１，ＣＦＬ數(shù)小于０．１，滿足數(shù)值穩(wěn)定性要求。動圓柱繞流計算域?yàn)椋?#215;Ｗ＝９５×２０的矩形區(qū)域，右側(cè)邊界為速度進(jìn)口，流速大小為０．５，左側(cè)邊界為自由出流，上下均為對稱邊界。動圓柱中心初始時刻坐標(biāo)為

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于浸入邊界-格子Boltzmann通量求解法的橢圓柱流動特性分析[J]. 吳曉笛,劉華坪,陳浮.  計算力學(xué)學(xué)報. 2018(03)
[2]防風(fēng)網(wǎng)透流風(fēng)空氣動力學(xué)特性大渦數(shù)值模擬研究[J]. 許棟,申振東,高喜峰,薛法興,夏緒林,及春寧.  計算力學(xué)學(xué)報. 2015(04)
[3]基于浸入邊界法的魚體自主游動的數(shù)值模擬[J]. 王文全,郝棟偉,閆妍,張立翔.  計算力學(xué)學(xué)報. 2014(05)
[4]適用于浸入邊界法的大渦模擬紊流壁面模型[J]. 及春寧,黃繼露,肖忠.  計算力學(xué)學(xué)報. 2013(06)
[5]基于嵌入式迭代的高精度浸入邊界法[J]. 及春寧,劉爽,楊立紅,肖忠.  天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2014(05)
[6]非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格變形方法研究進(jìn)展[J]. 周璇,李水鄉(xiāng),孫樹立,劉劍飛,陳斌.  力學(xué)進(jìn)展. 2011(05)



本文編號：3066299